基于ANSYS软件的火电厂主厂房结构可靠性分析

侍莘莘 （合肥热电集团有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

土建施工技术就是对土木工程进行建造，包括各种建筑物以及设施的建造，同时也包括在整个建筑施工过程中的设计、管理、勘察等相关活动。在我国经济发展的过程中，土建施工是必不可少的。只有土建技术才能为各行各业的发展提供生存空间和买卖场所，促进经济和社会的不断发展。因此，土建施工技术对我国的发展以及日常的生活来说是至关重要的，只有更好的发展土建施工技术才能对城市经济水平的提高以及人民生活质量的提高带来积极的意义。

目前火电厂主厂房的施工量较大，所需要的技术管理人员也较多。但是受到人员知识体系不完备、专业知识水平较低、现场工作量较大等情况的制约，会做出不正确的判断进而导致主厂房的使用周期缩短甚至引发安全问题。在火电厂主厂房的金属结构与预埋铁件安装的环节中，对工程不了解就会导致钢筋的接头位置出现错误，造成不必要的浪费；在建筑中不同位置的钢筋、混凝土的需求量以及分布位置都存在差异，如果施工人员完全依赖图纸进行施工，将会出现预埋铁件无法进入结构的问题；在钢结构搭设环节、设计环节，没有按照实际情况进行相应的变动，就会导致实际安装的位置和设计图纸上的位置相差较大，无法进行正常施工，额外进行高空作业又加大了工程量。

1 项目概况

在火力发电厂内布置主要设备和辅助设备的厂房称为火力发电厂的主厂房[1]。本文以某火电厂为例，其中主厂房包括汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉房等建筑物。按功能使用需要包括汽机房、除氧间、煤仓间三个部分。主厂房为框排架结构，其中AB轴柱跨度35m、BC跨度12m、CD 跨度16m。横向框排架结构有9 层3 跨，总高58m，屋架梁与柱的连接方式为栓焊混合，主梁与柱的连接方式为铰接并且部分位置有钢支撑。主厂房的截面如图1 所示，部分尺寸如表1 所示。本文主厂房的钢材采用Q235B，各构件均在工厂里加工制作，采用钢板组合焊接的形式形成构件，部分钢结构如图2所示。

表1 主厂房部分尺寸

图1 主厂房的截面图

图2 部分钢结构

2 仿真模型的建立

2.1 基于Revit软件建立火电厂主体实体模型

在火电厂主厂房项目成立之初，利用Revit 软件对火电厂主体结构建立三维设计模型，将主要的工作分为建筑和结构这两个部分。总项目负责人负责火电厂主厂房的整体规划布局，协调不同部门的人员进行施工。金属结构与预埋铁件的安装过程中会出现工人按照既定的图纸进行预埋铁件锚筋加工作业却无法将预埋铁件安装进结构内部的工程问题。在对钢结构支撑体系进行设计的环节没有将实际情况考虑在内，导致螺栓孔安装位置与设计的位置之间存在较大偏差，需要额外的进行高空吹割作业，不仅造成工程进度受阻，同时还加大了工程的成本投入，可以在工程开展之前对钢结构等重要材料进行型号上的交底。可以对重要部分进行钢结构排布的过程模拟。最后将相关模型的相关信息和实际模型信息进行比较，这样既可以从根本上解决钢型号、安装位置错误的问题，又可以提升预先设计水平。专业的技术人员则负责整个工程的设计方面，建立各个部分的施工模型[2]。具体的Revit模型操作流程如图3所示。

图3 Revit模型操作流程

2.2 仿真模型的建立

本文利用Revit 软件与ANSYS 的相关数据接口，将已经在Revit中建立好的实体模型存成x-t 格式导入到ANSYS并保存为.db 文件。为缩短仿真时间，在保证三维实体模型结构良好的效果下，对模型进行布尔运算功能。运用仿真软件ANSYS 对主厂房结构的影响进行仿真模拟[5-6]，由于主厂房结构复杂且不规则，在不影响仿真结果可靠性的前提下对建模型进行适当的简化。其中仿真模型中混凝土设置的单元类型为Solid165，梁、柱设置的单元类型为Solid185，其余结构统一设置单元类型为Link180，模型共86019 个节点，65438个单元，具体模型如图4所示。

图4 仿真模型

3 火电厂结构可靠性分析

3.1 火电厂结构模态分析

由图5 所示，主厂房的第一阶模态频率为0.519Hz，表现为整体沿竖向平动；第二阶模态频率为1.267Hz，表现为下部沿竖向平动严重，并出现扭转现象；第三阶模态频率为1.359Hz，主要表现为扭转，并出现横向的平动（如图6 所示）；从第六阶开始主厂房的频率变化非常小，并且只有局部发生振动。根据整体结构的模态分析并且根据自身的结构特点，主厂房容易发生整体的扭转作用，这是框排架结构横向抗侧刚度分布不均匀导致的。由于该结构并没有增加纵向抗侧刚度的措施，主厂房低阶阵型主要表现为沿着纵向振动。

图5 主厂房模态振动频率

图6 第四阶模态振动

3.2 地震波作用下火电厂结构的可靠性分析

根据相关的设计规范，选取三组地震波进行仿真模拟，其中包括人工设置的加速度（人工波）和实际地震波（Centro 波与Taft 波），并且采用双激励主方向为X 轴和Z 轴，峰值设置为1/0.85，Y方向系数设置为0.65。

由图7、图8可得，当施加双激励时，X 和Y 方向上的位移角变化呈现出不同的趋势，并且Y 方向上的层间位移角明显大于X 方向的数值。由X 方向的层间位移角变化曲线可以看出，施加三种地震波的变化曲线大体一致，并且Centro波的位移角变化曲线大于其他两种，位于错层11.6m 和柱变截面23.52m 处的两个位置位移较大，其产生的原因为上下柱截面没有对称，从而引起刚度变化不平滑。在分别施加人工波、Centro 波与Taft 波的作用下，最大层间位移角分别是5.25×10-4、6.18×10-4和5.34×10-4。Y 方向的层间位移角变化曲线可以看出，层间位移角的最大值为30.2m，其产生的原因为此位置高出屋面部分进而产生鞭梢效应。在分别施加人工波、Centro波与Taft波地震波作用下最大位移角分别是1.25×10-3、1.49×10-3和1.2×10-3。根据抗震规范层间位移角极限值为4×10-3，X、Y 两个方向的仿真结果都小于极限值，两个方向有许多拐点，这说明主厂房在竖直方向受到的重力和刚度不均，将出现薄弱区域，特别注意错层或者截面改变区域。

图7 X向地震作用下X方向层间位移角

图8 Y向地震作用下Y方向层间位移角

3.3 提高火电厂结构可靠性的建议

设计人员也可以通过参考这些数据进行合理化布局，根据要求进行不断地完善，使数据趋于精准，也有利于在具体的施工过程中提高精细度。关于主厂房的每项数据都在软件当中有所体现，可以直接查询整个项目的材料用量。不是依靠以往的经验，而是通过精确的计算得到准确的数据，降低事故发生的可能性，使数据的测算更加快捷、高效，施工材料中的钢筋、模板、混凝土等主要材料也会随之计算出来。无论现场施工人员综合素质或者能力的高低，都会减少因用料不当给工程所带来的负面影响。同时，随着建筑施工的不断进行，实际情况会与原先的设计图纸不相符合，BIM 技术就会根据工程的进度安排，实时形成工程材料用量表，既增加了数据的精细化，又降低了材料的消耗，较大程度上减少了工程成本。这种精细化管理提高了整个项目的工作效率，火电厂主厂房的安全方面也得到了更好的保障。

施工质量是整个建筑工程作业中最重要的一环节，施工质量不仅影响着火电厂主厂房最后的施工成果是否符合要求，还关系着主厂房能否发挥出应有的社会效益。在火电厂主厂房的实际施工过程中，有很多影响施工的因素，包括施工人员对工程了解不透彻、管理人员监察不彻底等。因为火电厂主厂房对人们的生活起到了重要的作用，所以需要采用先进的技术来提高工程质量。利用BIM 技术可以更好的达到施工效果，在施工过程中采用立体的三维建模，无论是现场施工人员还是作业人员都对整个主厂房的施工有着清晰的了解，已经较为全面的掌握了设计图纸以及规范标准。在施工的过程中也可以做到心中有数，有效地提高工程质量。

4 结论

近年来，我国火电厂的建设日益繁荣，所带来的经济效益和社会效益都是不可估量的，在人们日常生活中所发挥的作用更是无可替代的。但同时火电厂主厂房的建设也是一个非常庞大的工程，必须提升预先设计水平、增加施工过程的精细度、提高工程质量。通过对火电厂主厂房土建施工技术进行相关研究，火电厂主厂房对于火电厂整体运行有着至关重要的作用，直接影响着火电厂的工作效率。运用软件对主厂房进行可靠性的仿真，讨论了根据整体结构的模态分析，并且根据自身的结构特点主厂房容易发生整体的扭转作用，这是框排架结构横向抗侧刚度分布不均匀的特征导致的。由于该结构并没有增加纵向抗侧刚度的措施，主厂房低阶阵型主要表现为沿着纵向振动。